Evaluación del desempeño de redes 802.11p/Wave en la transmisión de datos, voz y video IP

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(1)EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE REDES 802.11P/WAVE EN LA TRANSMISIÓN DE DATOS, VOZ Y VIDEO IP. ANTONI GABRIEL CAICEDO BASTIDAS JUAN MANUEL MARTÍNEZ OJEDA. UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Departamento de Telecomunicaciones Grupo I+D Nuevas Tecnologías En Telecomunicaciones – GNTT Línea de Investigación: Gestión Integrada de Redes, Servicios y Arquitecturas de Telecomunicaciones POPAYÁN 2011.

(2) EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DE REDES 802.11P/WAVE EN LA TRANSMISIÓN DE DATOS, VOZ Y VIDEO IP. ANTONI GABRIEL CAICEDO BASTIDAS JUAN MANUEL MARTÍNEZ OJEDA. Trabajo de grado presentado como requisito para obtener el título de Ingeniero en Electrónica y Telecomunicaciones. Director GUEFRY AGREDO MÉNDEZ - M. Sc. UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES Departamento de Telecomunicaciones Grupo I+D Nuevas Tecnologías En Telecomunicaciones – GNTT Línea de Investigación: Gestión Integrada de Redes, Servicios y Arquitecturas de Telecomunicaciones POPAYÁN 2011 ii.

(3) TABLA DE CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 1 1.. PRINCIPIOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS EN VEHÍCULOS, VOIP Y VIDEO IP 4 1.1. NOCIONES GENERALES DE LAS REDES INALÁMBRICAS ............................. 4. 1.1.1 1.2. Topologías en Redes Inalámbricas............................................................... 6. DEFINICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UNA RED INALÁMBRICA AD HOC ..... 9. 1.2.1. Cobertura de una Red Ad Hoc.................................................................... 10. 1.2.2. Riesgos en las Redes Inalámbricas ............................................................ 11. 1.3. PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN REDES MANET .............................. 12. 1.3.1. Protocolos Proactivos ................................................................................ 13. 1.3.2. Protocolos Reactivos .................................................................................. 13. 1.3.3. Protocolos Híbridos ................................................................................... 13. 1.3.4. Protocolos Geográficos .............................................................................. 14. 1.4. CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES MANET ................................................ 15. 1.4.1. Libertad de Integración ............................................................................... 15. 1.4.2. Optimización Automática de Rutas ............................................................. 15. 1.4.3. Red de Múltiples Saltos .............................................................................. 15. 1.4.4. Fácil Adaptación ......................................................................................... 16. 1.4.5. Ancho de Banda Autosuficiente .................................................................. 16. 1.4.6. Robustez y Efectividad ............................................................................... 17. 1.4.7. Escalabilidad .............................................................................................. 18. 1.4.8. Autonomía .................................................................................................. 18. 1.4.9. Control Distribuido ...................................................................................... 19. 1.4.10. Bajo Requerimiento de Energía .................................................................. 19. 1.5. APLICACIONES DE LAS REDES MANET ........................................................ 19. 1.5.1. Redes Residenciales .................................................................................. 19. 1.5.2. Redes Comerciales Empresariales ............................................................. 19. iii.

(4) 1.5.3. Redes en Situación de Emergencia ............................................................ 20. 1.5.4. Redes Militares ........................................................................................... 20. 1.5.5. Sistemas de Control y Monitoreo de Tráfico ............................................... 21. 1.5.6. Red de Sensores ........................................................................................ 22. 1.5.7. Redes Vehiculares ..................................................................................... 22. 1.6. DIFERENCIAS ENTRE REDES MANET Y MESH ............................................ 22. 1.7. VOZ IP EN REDES INALÁMBRICAS ................................................................ 23. 1.7.1. La VoIP ...................................................................................................... 24. 1.7.2. Compresión de Voz .................................................................................... 25. 1.7.3. Protocolos de la VoIP ................................................................................. 28. 1.8. VIDEO IP EN REDES INALÁMBRICAS............................................................. 29. 1.8.1. El Video IP.................................................................................................. 29. 1.8.2. Compresión de Video ................................................................................. 30. 1.9. PROTOCOLOS COMUNES DE AUDIO Y VIDEO ............................................. 32. 1.9.1. Protocolo de Inicio de Sesión ..................................................................... 32. 1.9.2. RTP/RTCP ................................................................................................. 32. 1.9.3. Encapsulamiento de Voz y/o Video IP ........................................................ 33. 2. LAS VANETS, ANÁLISIS BAJO LA NORMA 802.11p Y SU COMPARACIÓN CON EL ESTÁNDAR ORIGINAL ................................................................................................... 35 2.1. 3.. SISTEMAS INTELIGENTES DE TRANSPORTE ............................................... 35. 2.1.1. Los ITS en la Carretera .............................................................................. 36. 2.1.2. ITS, Investigación y Desarrollo ................................................................... 39. 2.2. VANETS ............................................................................................................ 40. 2.3. ESTÁNDAR IEEE 802.11 .................................................................................. 42. 2.4. ESTÁNDAR IEEE 802.11p/WAVE ..................................................................... 44. 2.4.1. WAVE......................................................................................................... 45. 2.4.2. IEEE 802.11p ............................................................................................. 50. DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO ............................................................................ 60 3.1. PLANTEAMIENTO DEL PROYECTO ................................................................ 60. iv.

(5) 3.2. MOTIVACIÓN Y APLICACIÓN .......................................................................... 61. 3.3. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE INVESTIGACIÓN ..................................... 61. 3.4. ESPECIFICACIÓN DE LOS ESCENARIOS DE SIMULACIÓN ......................... 63. 3.4.1. Transmisión de Datos, Voz y Video Ad Hoc pura entre vehículos utilizando. estándar 802.11p...................................................................................................... 65 3.4.2. Análisis de los parámetros de velocidad y cobertura en 802.11p. ............... 67. 3.4.3. Análisis en Escenario Urbano, Prueba 1: Transmisión de datos pura entre. Vehículo e Infraestructura ......................................................................................... 68 3.4.4. Análisis en Escenario Urbano, Prueba 2: Transmisión de Voz pura entre. vehículo e infraestructura.......................................................................................... 70 3.4.5. Análisis en Escenario Urbano, Prueba 3: Transmisión de Video pura entre. vehículo e infraestructura.......................................................................................... 71 3.4.6. Análisis en Escenario Urbano, Prueba 4: Transmisión de videoconferencia. (Voz, Video IP y Datos), entre vehículo e infraestructura .......................................... 71. 4.. 3.5. INDICADORES DE RENDIMIENTO DE RED .................................................... 72. •. Throughput [] .............................................................................................. 72. •. Pérdida de paquetes ................................................................................. 73. •. Retardo ...................................................................................................... 73. EVALUACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................... 74 4.1 ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS DE VELOCIDAD Y COBERTURA EN 802.11P........................................................................................................................ 74 4.1.1. Sub-escenario 1: Influencia de la velocidad ................................................ 74. 4.1.2. Sub-escenario 2: Rango de Cobertura ....................................................... 76. 4.2 ANÁLISIS ESCENARIO URBANO, PRUEBA 1: TRANSMISIÓN DE DATOS PURA ENTRE VEHÍCULO E INFRAESTRUCTURA EN 802.11P. ............................... 77 4.2.1. Sub-escenario 1: Enlace Punto a Punto ..................................................... 78. 4.2.2. Sub-escenario 2: Punto Multipunto ............................................................. 78. 4.3 ANÁLISIS ESCENARIO URBANO, PRUEBA 2: TRANSMISIÓN DE VOZ PURA ENTRE VEHÍCULO E INFRAESTRUCTURA EN 802.11P. .......................................... 80 4.3.1. Sub-escenario 1: Transmisión punto a punto con códec G.711 .................. 80. v.

(6) 4.3.2. Sub-escenario 2: Transmisión Punto - Multipunto con códec G.711 ........... 80. 4.3.3. Sub-escenario 3: Transmisión Punto a Punto con códec G.729 ................. 82. 4.3.4. Sub-escenario 4: Transmisión Punto – Multipunto con códec G.729 .......... 82. 4.4 ANÁLISIS ESCENARIO URBANO, PRUEBA 3: TRANSMISIÓN DE VIDEO IP PURA ENTRE VEHÍCULO E INFRAESTRUCTURA EN 802.11P. ............................... 84 4.4.1. Sub-escenario 1: Transmisión punto a punto de Video IP .......................... 85. 4.4.2. Sub-escenario 2: Transmisión punto multipunto de Video IP ...................... 86. 4.5 ANÁLISIS DEL ESCENARIO URBANO, PRUEBA 4: TRANSMISIÓN DE VIDEOCONFERENCIA (VOZ, VIDEO IP y DATOS), ENTRE VEHÍCULO E INFRAESTRUCTURA EN 802.11P. ............................................................................. 87 4.5.1. Sub-escenario 1: Sin calidad del servicio.................................................... 87. 4.5.2. Sub-escenario 2: Con calidad del servicio .................................................. 87. 4.6 ANÁLISIS Y COMPARACIÓN EN EL DESEMPEÑO CUANDO EXISTE CAMBIO DE CELDA (HANDOVER) ENTRE 802.11b Y 802.11p. ............................................... 89 4.6.1. Sub-escenario 1, Handover en 802.11b. .................................................... 89. 4.6.2. Sub-escenario 2, Handover en 802.11p. .................................................... 90. 5.. CONCLUSIONES ..................................................................................................... 92. 6.. RECOMENDACIONES ............................................................................................. 95. 7.. REFERENCIAS ........................................................................................................ 96. ANEXOS. vi.

(7) LISTA DE FIGURAS Figura 1-1 Elementos básicos de un WLAN 1. .................................................................. 5 Figura 1-2 Elementos básicos de una WAVE ................................................................... 6 Figura 1-3 Red inalámbrica en modo de infraestructura.................................................... 7 Figura 1-4 Red inalámbrica en topología Ad Hoc .............................................................. 8 Figura 1-5 Flexibilidad de la red Ad Hoc frente a obstáculos .......................................... 11 Figura 1-6 Localización de destino según datos geográficos .......................................... 14 Figura 1-7 Transmisión de Datos Estable en rutas con saltos Cortos. ............................ 17 Figura 1-8 Redundancia, Estabilidad y Confiabilidad de la Red Auto configurable.......... 18 Figura 1-9 Interconexión entre organismos de Emergencia. ........................................... 20 Figura 1-10 Las Redes MANET utilizadas bajo demanda en escenarios complejos. ...... 21 Figura 1-11Sistema de compresión G.729 ...................................................................... 25 Figura 1-12 Códec G.711 ............................................................................................... 26 Figura 1-13 Códec G.729. .............................................................................................. 27 Figura 1-14 Paquetes RTP y RTCP para el control de la calidad en recepción. .............. 33 Figura 1-15 Encapsulamiento a nivel 2 de un paquete de Voz y/o Video IP.................... 34 Figura 2-1 Sistema ITS en Carretera. ............................................................................. 38 Figura 2-2 Ejemplo de Entorno Vehicular ....................................................................... 42 Figura 2-3 Ejemplo de Arquitectura Exterior del OBU. .................................................... 45 Figura 2-4 Visión General de la Pila de Protocolos WAVE .............................................. 46 Figura 2-5 Especificaciones de IEEE 1609.1 .................................................................. 48 Figura 2-6 Estructura del Espectro en 802.11p ............................................................... 51 Figura 2-7 Supertrama en 802.11p ................................................................................. 52 Figura 2-8 Ciclos de Transmisión en 802.11p. ................................................................ 52 Figura 2-9 Configuración de Parámetros de backoff de IEEE 802.11p ........................... 54 Figura 2-10 Proceso de Handover en IEEE 802.11 a/b/g/n. ............................................ 56 Figura 3-1 Comunicación Ad Hoc pura entre vehículos 802.11p. .................................... 66 Figura 3-2 Sub Escenario 1: Influencia de la Velocidad .................................................. 67 Figura 3-3 Sub Escenario 2: Rango de Cobertura .......................................................... 68 Figura 3-4 Enlace Punto a Punto .................................................................................... 69 Figura 3-5 Enlace Punto Multipunto ................................................................................ 69. vii.

(8) Figura 3-6 Simetría vial de una ciudad Colombiana (Referencia Popayán)..................... 70 Figura 3-7 Configuración de Grilla para Handover .......................................................... 72 Figura 4-1 Efectos de la Velocidad en 802.11p. .............................................................. 75 Figura 4-2 Throughput Vs Velocidad y % de Pérdida de Paquetes Vs Velocidad en 802.11p. .......................................................................................................................... 75 Figura 4-3 Retardo Vs Velocidad en 802.11p. ................................................................ 75 Figura 4-4 Gráficas de Throughput Vs Cobertura y % de Pérdida de Paquetes Vs Cobertura en 802.11p. ..................................................................................................... 77 Figura 4-5 Gráfica de Retardo Vs Cobertura en 802.11p. ................................................ 77 Figura 4-6 Throughput Vs Tiempo en Enlace Punto a Punto. ......................................... 78 Figura 4-7 Escenario Multicast........................................................................................ 79 Figura 4-8 Throughput Vs No. de OBUs en un Enlace Punto Multipunto. ....................... 79 Figura 4-9 Throughput Vs Tiempo y Medición de Pérdida de Paquetes y Retardo en Enlace Punto a Punto de Voz con códec G711. .............................................................. 80 Figura 4-10 Throughput Vs Número de OBUs y Porcentaje de Pérdida de Paquetes Vs Número de OBUs en Enlace Punto Multipunto de Voz con códec G.711. ........................ 81 Figura 4-11 Retardo Vs Número de OBUs en Enlace Punto Multipunto de Voz con códec G.711............................................................................................................................... 82 Figura 4-12 Throughput Vs Tiempo y Medición de Pérdida de Paquetes y Retardo en Enlace Punto a Punto de Voz con códec G.729............................................................... 82 Figura 4-13 Throughput Vs Número de OBUs y Porcentaje de Pérdida de Paquetes Vs Número de OBUs en Enlace Punto Multipunto de Voz con códec G.729. ........................ 83 Figura 4-14 Retardo Vs Número de OBUs en Enlace Punto Multipunto de Voz con códec G729................................................................................................................................ 83 Figura 4-15 Throughput Vs Tiempo, Medición de Pérdida de Paquetes y Retardo en Enlace Punto a Punto de Video IP. .................................................................................. 86 Figura 4-16 Throughput Vs Número de OBUs y Porcentaje de Pérdida de Paquetes Vs Número de OBUs en Enlace Punto Multipunto de Video IP. ............................................ 86 Figura 4-17 Retardo Vs Número de OBUs en Enlace Punto Multipunto de Video IP. ...... 87 Figura 4-18 Proceso de Handover con 802.11b. .............................................................. 89 Figura 4-19 Proceso de Handover con 802.11p. .............................................................. 90. viii.

(9) LISTA DE TABLAS Tabla 1-1 Diferencias entre redes Manet y Mesh. ............................................................ 23 Tabla 1-2 Códecs utilizados para VoIP ............................................................................ 28 Tabla 2-1 IEEE802.11p Tasas de Transferencia.............................................................. 50 Tabla 2-2 Parámetros de configuración por defecto en IEEE 802.11p ............................. 55 Tabla 2-3 Parámetros de configuración por defecto para el CCH .................................... 55 Tabla 2-4 Parámetros de configuración por defecto para el SCH en IEEE 802.11p ......... 55 Tabla 2-5 Comparación entre 802.11a y 802.11p. ........................................................... 58 Tabla 3-1 Ventajas y desventajas de NCTUns. ................................................................ 62 Tabla 4-1 Voz, Video IP y Datos sin QoS y con transmisión simultánea. ......................... 87 Tabla 4-2 Voz, Video IP y Datos con QoS y con transmisión simultánea ......................... 87 Tabla 4-3 Medición de desempeño en proceso de Handover con 802.11b. ..................... 89 Tabla 4-4 Medición de desempeño en proceso de Handover con 802.11p. ..................... 90 Tabla 5-1 Número de OBUs por Celda. ........................................................................... 92. ix.

(10) LISTA DE ACRÓNIMOS ABR Protocolo de Enrutamiento Basado en Asociación (Associativity Based Routing Protocol) ABS Sistema de Frenado Anti-Bloqueo (Anti-lock Braking System) AC. Categorías de Acceso (Access Categories). ACK. Acuse de Recibo (Acknowledgment). ADPCM Modulación por Codificación de Impulsos Diferencial Adaptativa (Adaptive Differential Pulse Code Modulation) ADV. Vector de Distancia Adaptativo (Adaptative Distance Vector). AES. Estándar Avanzado de Encriptación (Advanced Encryption Standard). AIFS Espacio Inter-Trama Arbitrario (Arbitration Interframe Space) AIFSN Número de Arbitramento de Espacio Inter-Trama (Arbitration Interframe Space Number) AODV Vector Distancia Ad Hoc sobre Demanda (Ad Hoc On-Demand Distance Vector) AP Punto de Acceso (Access Point) BE. Mejor Esfuerzo (Best Effort). BK Background BPSK Modulación de Cambio de Fase Binaria (Binary Phase Shift Keying) BSS. Conjunto Básico de Servicios (Basic Service Set). CCH. Canal de Control (Control Chanel). CCITT Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (International Consultative Committee for Telegraph and Telephone) CNG Generador de Ruido de Confort (Comfort Noise Generation) CSMA/CA Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Evasión de Colisión (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) CSRC Fuente de Contribución para RTP (Contributing Source) CTS Preparado para Enviar (Clear To Send) CW. Ventana de Contienda (Contention Window). CWmax Ventana de Contienda Máxima (Contention Window maximum) CWmin Ventana de Contienda Mínima (Contention Window manimum) DCF. Función de Coordinación Distribuida (Distributed Coordination Function). DIFS Distribución Espacial Inter-Trama (Distributed Interframe Space) DSR. Enrutamiento de Fuente Dinámico (Dynamic Source Routing). DSDV Destino Secuenciado por Vector de Distancia (Destination Sequenced Distance Vector) DSRC Comunicaciones Dedicadas de Corto Alcance (Dedicated Short Range Communications) DSSS Espectro Ensanchado por Secuencia Directa (Direct Sequence Spread Spectrum) x.

(11) DSVD Voz y Datos Simultáneos Digitales (Digital Simultaneous Voice and Data) DTX Transmisión Discontinua (Discontinuous Transmission) DVD. Disco Versátil Digital (Digital Versatile Disc). EDCA Acceso de Canal Distribuido Mejorado (Enhanced Distributed Channel Access) ESP. Control Electrónico de Estabilidad (Electronic Stability Control). FCC. Comisión Federal de Comunicaciones (Federal Communications Commission). FFT. Transformada Rápida de Fourier (Fast Fourier Transformation). FH. Salto en Frecuencia (Frequency Hopping). FHSS Espectro Ensanchado por Salto en Frecuencia (Frecuency Hopping Spread Spectrum) FSR. Protocolo de Estado Fisheye (Fisheye State Protocol). FTP Protocolo de Transferencia de Archivos (File Transfer Protocol) GIPS Sonido IP Global (Global IP Sound) GPS. Sistema de Posicionamiento Global (Global Positioning System). GSM Sistema Global para Comunicaciones Móviles (Global System for Mobile Communications) HDTV Televisión de Alta Definición (High Definition TV) HMI Interfaz Humano Máquina (Human Machine Interface) HTTP Protocolo de Transferencia de Hipertexto (Hypertext Transmission Protocol) IAX. Intercambio entre Asterisk (Inter Asterisk eXchange). IEEE Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (Institute of Electrical and Electronic Engineers) IETF Fuerza de Trabajo en Ingeniería de Internet (Internet Engineering Task Force) IFS. Espacio de Intertrama (Interframe Space). ILBC Códec de Internet de Baja velocidad de Bit (Internet Low Bitrate Codec) IP Protocolo de Internet (Internet Protocol) IPv6. Protocolo de Internet versión 6 (Internet Protocol version 6). ITS. Sistemas de Transporte Inteligente (Intelligent Transportation Systems). ITU Unión Internacional de Telecomunicaciones (International Telecommunication Union) ITU-T Unión Internacional de Telecomunicaciones – Sector Telecomunicaciones (Internacional Telecommunications Union – Telecommunication) IVC Comunicación Inter-Vehicular (Inter-Vehicle Communication) JPEG Grupo de Expertos Fotográficos Asociados (Joint Photographic Experts Group) LAN Red de Área Local (Local Area Network) LAR Protocolo de Enrutamiento Asistido por Localización (Location Aided Routing Protocol) LD-CELP Predicción Lineal con Excitación por Código de Bajo Retardo (Low Delay Code Excited Linear Prediction) xi.

(12) LLC LOS. Control de Enlace Lógico (Logical Link Control) Line of Sight (Línea de Vista). MAC Control de Acceso al Medio (Medium Access Control) MANET Red Ad Hoc Móvil (Mobile Ad Hoc Network) MGCP Protocolo de Control de Pasarelas hacia el Medio (Media Gateway Control Protocol) MOS Nota Media de Opinión (Mean Opinion Score) NM. Nodos Móviles (Mobile Nodes). OBE. Equipamiento de Abordo (On-Board Equipment),. OBU Unidad de Abordo (On Board Unit) OFDMA Acceso Múltiple por División de Frecuencias Ortogonales (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) OLSR Enrutamiento Optimizado del Estado del Enlace (Optimized Link State Routing) OSI. Interconexión de Sistemas Abiertos (Open Systems Interconnection). P2P. Igual a Igual (Peer to Peer). PDA. Asistente Digital Personal (Personal Digital Assistant). PCM Modulación por Pulsos Codificados (Pulse Code Modulation) PHY Capa Física (Physical Layer) PSOBU Unidad de Seguridad Pública de Abordo (Public Security On Board Unit) QAM Modulación por Amplitud en Cuadratura (Quadrature Amplitude Modulation) QoS. Calidad de Servicio (Quality of Service). QPSK Modulación de Cambio de Fase en Cuadratura (Quadrature Phase Shift Keying) RCP Procesador de Comandos de Recursos (Resources Commands Processor) RM. Administrador de Recursos (Resources Manager). RMA Aplicaciones del Administrador de Recursos (Resources Manager Application) RSU Unidad al Lado de la Carretera (Road Side Unit) RTCP Protocolo de Control de RTP (RTP Control Protocol) RTP. Protocolo de Transporte en Tiempo Real (Real Time Transport Protocol). RTS. Solicitud de Envío (Request To Send). SCCP Protocolo de Control de Cliente Ligero (Skinny Client Control Protocol) SCH Canal de Servicio (Service Channel) SDP. Protocolo de Descripción de Sesión (Session Description Protocol). SIFS Espacio Inter-Trama Corto (Short Interframe Space) SIP. Protocolo de Inicio de Sesión (Session Initiation Protocol). SSID Identificador de Conjunto de Servicio (Service Set Identifier) SSRC Fuente de Sincronización para RTP (Synchronization Source) TC. Categorías de Tráfico (Traffic Categories). TCID Identificador de Categoría de Tráfico (Traffic Category Identifier) xii.

(13) TCP Protocolo de Control de Transmisión (Transmission Control Protocol) TORA Algoritmo de Enrutamiento Ordenado Temporalmente (Temporally Ordered Routing Algorithm) TXOP Oportunidad de Transmisión (Transmission Oportunity) UDP Protocolo de Datagramas de Usuario (User Datagram Protocol) UWB Ultra Ancho de Banda (Ultra Wide Band) V2I. Comunicaciones Vehículo Infraestructura (Vehicle to Infraestructure).. V2V. Comunicaciones Vehículo a Vehículo (Vehicle to Vehicle Communication). VANETS Redes Vehiculares (Vehicular Ad Hoc Network) VAD. Voice Activity Detection (Detección de Actividad de Voz). VI. Video. VO VOD. Voz Video por Demanda (Video On Demand). VoIP Voz sobre IP (Voice over IP) WAN Redes de Área Extensa (Wide Area Network) WAVE Acceso Inalámbrico en el Entorno Vehicular (Wireless Access in the Vehicular Environment). WBBS Conjunto Básico de Servicios WAVE (WAVE Basic Service Set) Wi-Fi Alianza de Fidelidad Inalámbrica (Wireless Fidelity Alliance) WiMAX Interoperabilidad Mundial para Acceso por Microondas Interoperability for Microwave Access) WLAN Redes inalámbricas de Área Local (Wireless Local Area Network). (Worldwide. WPAN Redes Inalámbricas de Área Personal (Wireless Personal Area Network) WRP Protocolo de Enrutamiento Inalámbrico (Wireless Routing Protocol) WSA Anuncio de Servicio WAVE (WAVE Service Announcement) WSMP Protocolo de Mensaje Cortos WAVE (WAVE Short Message Protocol) ZRT. Protocolo de Enrutamiento por Zona (Zone Routing Protocol).. xiii.

(14) RESUMEN En este documento se presenta el estudio de las redes inalámbricas bajo un entorno relativamente nuevo y en el que gradualmente se han ido descubriendo necesidades que anteriormente parecían no ser de gran importancia, denominado acceso inalámbrico en entornos vehiculares (redes vehiculares), el cual es presentado y estudiado bajo aspectos característicos, tales como: su arquitectura de red, tipos de configuración, escenarios de aplicación, posibles protocolos de enrutamiento y su capa MAC, lo cual permite: entender su funcionamiento, la manera como se implementa e identificar sus variaciones respecto del estándar original. Debido a esto se hace una evaluación del desempeño en la transmisión de Datos, Voz y Video IP, analizando algunos factores que se deben tener en cuenta para prestar servicios derivados con calidad aceptable, en este tipo de redes. La enmienda en la cual se soportan las redes vehiculares es la IEEE 802.11p, en la cual se centra el estudio en este Trabajo de Grado. En cuanto a la valoración del desempeño del tráfico manejado en este trabajo: Datos, Voz y Video IP sobre las redes vehiculares, se efectuó empleando simulaciones realizadas en la Herramienta NCTUns versión 6.0, dentro de un escenario Vehículo – Infraestructura Vial, en las cuales se especifica el tipo de tráfico y el tamaño de la trama, entre otros. De tal manera, que se evalúa el comportamiento del tráfico en la red y se determina la viabilidad del uso de servicios de valor agregado bajo condiciones aceptables en este tipo de redes y se concluye que es posible realizar comunicaciones con servicios en tiempo real entre vehículos y la infraestructura, como se pudo comprobar en los escenarios simulados.. xiv.

(15) INTRODUCCIÓN Hoy en día la tecnología, a través de las redes de telecomunicaciones, busca mejorar distintos entornos de la sociedad, sin embargo, aún hay áreas que no han sido consideradas o con servicios de red ineficientes; esto se debe a la falta de estudios, planteamientos erróneos o por simple desconocimiento de las características de cada contexto en particular, de ahí que este documento haga referencia a los entornos vehiculares que son áreas a considerar y se están estudiando para dar soluciones tecnológicas a los distintos problemas que estos tienen. Por lo cual el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE, Institute of Electrical and Electronics Engineers) ha venido desarrollando la adecuación de una solución con diferentes tecnologías y enfatiza en el desarrollo del estándar IEEE 802.11p también conocido como Acceso Inalámbrico para Entornos Vehiculares (WAVE, Wireless Access in Vehicular Environments). Los sistemas de transporte inteligente (ITS, Intelligent Transportation Systems), se crean para aplicar las nuevas generaciones en tecnologías de telecomunicaciones, electrónica, informática, sensores y técnicas de procesamiento, almacenamiento y visualización de la información, a las carreteras y al transporte. Los tres elementos claves involucrados en los comienzos y evolución de los sistemas ITS, ya implantados con éxito y/o aún en fase de desarrollo, son: la información, las comunicaciones y la carretera [1]. El estándar asociado en este contexto es el IEEE 802.11p, el cual tiene la misión de definir las mejoras requeridas por el estándar IEEE 802.11 de manera que éste pueda utilizarse en sistemas de transporte ITS [ 2 ] y ser la base sobre la que se desarrollarán las Comunicaciones Dedicadas de Corto Alcance (DSRC, Dedicated Short Range Communications), el cual es otro proyecto de estandarización del IEEE impulsado por el ministerio de transporte de Estados Unidos y por un importante número de fabricantes de automóviles, cuyo objetivo es crear una red nacional de comunicaciones que permita el intercambio de información entre vehículos y la infraestructura vial1 [3]. La integración de estas tecnologías innovadoras tiene como finalidad el mejoramiento de la eficiencia en el transporte, aumentar la seguridad vial, reducir la contaminación, optimizar los tiempos de desplazamiento y facilitar operaciones como el pago de peajes o la planificación de itinerarios, entre otras. Por lo tanto se busca revitalizar y ampliar los horizontes de un sector que genera muchos ingresos [4]. Para Colombia tiene aplicación en el marco de trabajo de organizaciones como la de la Fundación ITS Colombia cuyo objetivo principal es dar apoyo a las tecnologías innovadoras para el desarrollo del sistema de transporte en el territorio [5]. Las diferencias técnicas entre redes de telecomunicaciones fijas y móviles [6] [7], tales como el protocolo de acceso al medio, las tramas, los retardos, etc. requieren mayor atención para su implementación en entornos urbanos y viales. El diseño de una red de acceso inalámbrico para entornos vehiculares WAVE debe establecer una red con la 1. El Escenario vehículo y la infraestructura vial hace referencia a la interconexión existente entre el equipamiento sobre el vehículo, y los dispositivos transmisores y receptores que existen y hacen parte de la red (celda) situada dentro del entorno circundante, que está montado en infraestructuras físicas (torres, paraderos, postes de energía, etc.) y son parte de la vía y que además son estáticas.. 1.

(16) capacidad de soportar servicios de Datos, Voz y Video, además de ofrecer las características requeridas por el usuario. La tendencia en el mundo es converger a una sola red de servicios que reduzca los costos que se generan cuando se utilizan infraestructuras separadas. Las comunicaciones inalámbricas en entornos vehiculares vislumbran un gran futuro gracias al buen desarrollo que se ha obtenido con las Redes Inalámbricas de Área Local (WLAN, Wireless Local Area Network) en todo el mundo, por lo cual la implantación de servicios adicionales como Internet, voz y video, es un tema interesante que se debe atender para el desarrollo integral del entorno vehicular, pero es necesario hacer un estudio preliminar de las características de la tecnología, como 802.11p, debido a que en entornos vehiculares es desarrollada inicialmente para transmitir a baja velocidad, según [8]. La información de control que transporta estas redes, normalmente requiere bajas velocidades y poco tráfico de datos, pero la tecnología 802.11 en sí misma está definida para soportar velocidades que habilitan la transmisión de voz y video en las redes WAVE, por tanto la necesidad que se tiene es determinar desde la perspectiva de desempeño si este tipo de redes permiten cumplir con los límites de retardo y pérdida que se han establecido para que una comunicación sea viable. Dado que en caso de serlo, se podría tener una gama interesante de servicios para vehículos, brindando de manera conjunta datos informativos, conexión a Internet, voz y video a usuarios móviles cuando se utiliza 802.11p como esquema de referencia. El estándar IEEE 802.11p o WAVE, ha generado grandes expectativas en la industria de las telecomunicaciones, se perfila como una excelente alternativa para el desarrollo de la seguridad, los negocios, el entretenimiento, etc. Este estándar está siendo impulsado por varias compañías fabricantes de automóviles quienes, desde el año 2008, equipan sus vehículos para interactuar con esta tecnología [9]. Es por lo anterior, que en el presente Trabajo de Grado se busca analizar la viabilidad de la transmisión de Datos, Voz y Video IP a través de redes WAVE basándose en el estudio del desempeño en la capa MAC, puesto, que normalmente una buena calidad de audio y/o video depende de elementos tales como el throughput2, el retardo y la pérdidas de paquetes dentro del marco de trabajo de IEEE para la tecnología inalámbrica 802.11p. De este modo este Trabajo de Grado consta de cinco capítulos recopilados de la siguiente manera: En el capítulo 1 se presentan conceptos sobre redes inalámbricas y se hace énfasis en las redes Ad Hoc Móviles como base para el surgimiento de las redes vehiculares. De esta manera se tendrá una visión general de las características de estas redes que también afectarán las redes vehiculares, objeto de este estudio. Además se tratan temas relacionados con: el procesamiento que requiere la Voz y el Video para que sean transmitidos, y los parámetros que entran en juego. También se estudian algunos principios de diseño de red que pueden aplicarse en las redes Móviles.. 2. Cantidad de datos transmitidos que contienen información útil y no redundante.. 2.

(17) En el capítulo 2 se realiza una descripción de las redes vehiculares y de su aporte a los ITS, lo cual brindará una visión global del funcionamiento de este tipo de redes y los avances que se tienen en el estudio de esta temática. También se identifican y analizan los aspectos técnicos de la enmienda a nivel MAC y físico y se determinan las diferencias que existen con el estándar original y así mismo se analizan temas concernientes con el grupo de tecnologías que hacen parte de Wi-Fi (Wireless Fidelity). En el capítulo 3 se organizan, exponen y justifican los diferentes escenarios simulación, teniendo en cuenta los casos más relevantes presentes a la hora implementar servicios de Datos, Voz y Video IP en las redes vehiculares, además describen los parámetros que pueden afectar el desempeño de este tipo de redes y comportamiento en un entorno simulado.. de de se su. En el capítulo 4 se simulan los entornos propuestos y finalmente se valoran los resultados con redes simuladas y se extraen conclusiones sobre la viabilidad de la transmisión de Datos, Voz y Video IP sobre el uso de la tecnología WAVE en los entornos descritos y su aplicación en sistemas WLAN en específico lo relacionado con el estándar IEEE 802.11p. En el capítulo 5 se dan las conclusiones y se brindan algunas recomendaciones.. 3.

(18) 1. PRINCIPIOS DE LAS REDES INALÁMBRICAS EN VEHÍCULOS, VOIP Y VIDEO IP Este capítulo cubre distintos temas, con los cuales se introduce al lector en la temática a tratar y se ubica a éste en un entorno en particular; además, se fundamenta el interés que existe en cuanto a la determinación de las características requeridas para proporcionar servicios, que demandan ser adaptados y soportados en cuanto a capacidades de ancho de banda y que se ejecuten en tiempo real como la VoIP y el Video IP, así como las técnicas y los códec que permiten cumplir tales demandas; también se incluyen aspectos introductorios concernientes a tecnologías inalámbricas aplicadas al campo de las Redes Vehiculares, cómo es su arquitectura; y se hace un estudio general de las tecnologías preliminares que aporten a la comprensión del tema de este Trabajo de Grado. 1.1. NOCIONES GENERALES DE LAS REDES INALÁMBRICAS. Según [10] una Red Inalámbrica de Área Local (WLAN, Wireless Local Area Network) se define como un tipo de red que utiliza como canal de transmisión el aire y que además es de pocos metros de alcance; su tasa de transferencia de información es en gran porcentaje alta (mayor o igual a 11 Mbps) con baja tasa de errores y administrada en forma privada, según el IEEE. Este tipo de redes prácticamente elimina las conexiones cableadas ya que hace uso de las ondas electromagnéticas para interconectar los distintos equipos y terminales móviles. Las redes inalámbricas de este tipo establecen e implementan enlaces básicamente con tecnologías de microondas, y lo más importante a nivel de usuario, es la posibilidad de movilizarse dentro de un área de cobertura sin perder conexión. Las tecnologías inalámbricas posibilitan implementar sistemas flexibles y fácilmente escalables de comunicación, que pueden interactuar dentro de redes híbridas (cableada e inalámbrica), permitiendo crear distintas implementaciones en entornos con condiciones geográficas, de seguridad y económicas complejas. Este tipo de redes ofrecen principalmente características como movilidad, flexibilidad en su arquitectura, menor costo en mantenimiento y escalabilidad, que permiten configurar gran variedad de topologías para satisfacer necesidades específicas. Sin embargo, estas redes también tienen inconvenientes como menor ancho de banda respecto a las redes cableadas, la dificultad de añadir seguridad y garantizar ciertos niveles de calidad de servicio (Quality of Service). Los terminales o nodos de una red inalámbrica deben tener una interfaz, que sea la encargada de realizar las funciones del nivel físico y de enlace de datos, entre las cuales se encuentran: acceder al medio, realizar las modulaciones y codificaciones necesarias para la correcta transmisión, realizar los análisis de la potencia en la transmisión, etc. En la figura 1-1[11] se muestra los elementos básicos para la implementación de una red inalámbrica.. 4.

(19) Figura 1-1 Elementos básicos de un WLAN. [Por los autores adaptada de [11]]. Las redes inalámbricas como las redes Wi-Fi, WAVE3, etc., están conformadas por uno o más puntos de interconexión que se organizan de tal manera que con su configuración y posicionamiento estratégico, se brinde cobertura a una zona específica para la transmisión de información. Estos puntos en las WLAN tradicionales son los llamados Puntos de Acceso que se utilizan tanto para irradiar ondas electromagnéticas, como para realizar tareas de administración de la red; con ellos se hace la interconexión al backbone de la red inalámbrica y también sirven de interfaz con las redes cableadas. Dentro de la estructura de red también existen los nodos de usuario o terminales, que son quienes reciben la información de la red, los cuales están interconectados a través de los puntos de acceso. Para el caso de la redes WAVE existen dos tipos de nodos que tienen igual funcionamiento en cuanto al papel que desempeñan en la red, cumplen con las mismas tareas, pero se diferencian solo en su capacidad de movilidad; estos nodos según la ubicación en la que se encuentren (vehículo o vía) se los denomina Unidad a Bordo (OBU, On Board Unit) y Unidad al Lado de la Carretera (RSU, Road Side Unit) respectivamente; en la figura 1-2 [12] se pueden ver los elementos básicos de una red WAVE.. 3. Wireless Access in the Vehicular Environment.. 5.

(20) OPCIONAL. Terminal Móvil. RSU. RSU. Terminal Móvil. RSU. Terminal Móvil OBU. OBU OBU. Figura 1-2 Elementos básicos de una WAVE. [Por los autores adaptada de [12]]. En un entorno particular, como el vehicular, se hace necesario, configurar las tecnologías de interconexión de la mejor manera, para dar a este un soporte eficaz. Debido a la flexibilidad que se requiere para brindar un buen cubrimiento a los usuarios de este tipo de redes, es importante tener en cuenta el tipo de topología que se adecua mejor en cada sector de movilidad, para reducir los inconvenientes al mínimo en cuanto a interconexión de la señal de información. Tema que servirá como fundamento para el desarrollo de los siguientes capítulos. 1.1.1. Topologías en Redes Inalámbricas. Una red inalámbrica puede ser extendida tanto en pequeños espacios como en amplias extensiones territoriales; es por esto que al tratar de tender una red basada en equipos inalámbricos, las topologías son muy variables dependiendo de las necesidades que se tenga en cuanto a movilidad, costos, etc.; por lo cual se pueden implementar diversas topologías de red, las cuales se describen a continuación: 1.1.1.1. Redes de infraestructura. La topología de tipo infraestructura es capaz de brindar a una red inalámbrica mayores capacidades de expansión, de configuración y de interconexión con otro tipo de red. Esta topología utiliza uno o más puntos de acceso para dar el suficiente alcance en cuanto a movilidad se refiere, que es lo que se conoce como roaming, es decir, que los terminales de usuario pueden moverse de un punto de acceso a otro sin perder la cobertura y sin sufrir cortes en la comunicación, representando esto como una de las características más interesantes de las redes inalámbricas. Otra característica de estas redes es la capacidad que tienen los puntos de acceso para conectarse a las redes cableadas, formando de esta. 6.

(21) manera redes hibridas (WLAN-Ethernet) para así proporcionar accesos a diferentes servicios de distintos servidores, como HTTP, FTP, telnet, etc. o tan simple como brindar un acceso a Internet. Cuando se utiliza como esquema este tipo de topología, los usuarios deben comunicarse únicamente con los puntos de acceso y a través de ellos con otros usuarios de la red (no existe comunicación directa entre usuarios); los puntos de acceso realizan las tareas de administración requeridas para permitir que todos los usuarios accedan a los diferentes recursos de la red, pero existen desventajas en el momento en que un punto de acceso falle, la red queda deshabilitada por completo y se pierden todas las conexiones, por lo que se considera que la topología de infraestructura es relativamente poco confiable. El alcance máximo, en distancia, de las redes inalámbricas con esta topología se mide entre cada punto de acceso y la estación terminal; para maximizar el alcance de las redes de infraestructura es necesaria la instalación de otro punto de acceso adicional. Esta topología utiliza celdas que representan el área efectiva de la señal radioeléctrica irradiada por el punto de acceso. De las redes inalámbricas se tiene la noción de que cada celda tiene un tamaño de cobertura pequeño, pero mediante el incremento en el uso de más dispositivos de emisión es viable la expansión para cubrir zonas con áreas extensas, como se muestra en la figura 1-3.. Servidor CELDA 3 Equipo Estático Servidor. Punto de Acceso. Terminal Inalámbrico. CELDA 2 Punto de Acceso CELDA 1. Terminal Inalámbrico. Punto de Acceso. Terminal Inalámbrico. CELDA 5. Punto de Acceso. Terminal Inalámbrico. CELDA 4 Punto de Acceso. Terminal Inalámbrico. Figura 1-3 Red inalámbrica en modo de infraestructura [Por los autores]. 7.

(22) 1.1.1.2. Redes Ad Hoc. A esta topología de red también se la conoce como red de “igual a Igual” o por su nombre en inglés Peer to Peer (P2P), es la topología más simple de configurar. Consiste en una red de dos o más terminales móviles equipados con un adaptador para comunicaciones inalámbricas, como los que se ilustra en la figura 1-4. La topología Ad Hoc, ver figura 1-4, permite que las tarjetas de red inalámbricas se comuniquen entre sí, independientemente, no hay diferencia entre los nodos de la red, es decir, todos los nodos son iguales. No existe ninguna funcionalidad de punto de acceso. Así, las comunicaciones fluyen directamente de nodo en nodo hasta llegar a su destino; para que esto sea posible es necesario contar con un protocolo de enrutamiento que permita transmitir la información hasta su destino con el mínimo número de saltos posibles. Cada terminal de usuario funciona como un nodo, tan solo se debe identificar en la red por medio de un Identificador de Conjunto de Servicios (SSID) como todo nodo en la red. Además, estas redes tienen la ventaja de dispersarse fácilmente, solo se necesita que el terminal a conectarse esté dentro del rango de cobertura radioeléctrica de al menos uno de los nodos e identificarse con la red y ya hace parte de ella; pero se debe tener en cuenta de no sobrepasar un número razonable de terminales dentro de la red o de lo contrario el rendimiento se verá afectado. Este tipo de configuración es bastante confiable ya que la caída de un nodo no implica la caída de la red. Las redes Ad Hoc son independientes de cualquier tipo de gestión administrativa haciendo que éstas sean las más económicas y de fácil implementación.. Figura 1-4 Red inalámbrica en topología Ad Hoc. [Por los autores]. 8.

(23) 1.1.1.3. Redes en malla. La topología inalámbrica en Malla se configura combinando los dos tipos de topología anteriormente descritos. Generalmente son redes Ad Hoc que se interconectan a través de nodos especiales o puntos de acceso con otras redes Ad Hoc, de esta manera un terminal de usuario puede conectarse a la red utilizando el punto de acceso adyacente como enlace. Actualmente, existe un interés elevado, tanto comercial como investigativo, sobre la aplicación de arquitecturas de redes Ad Hoc en las comunicaciones inalámbricas en entornos vehiculares, donde la variedad de fabricantes de autos y de dispositivos de red denotan este creciente interés en la industria; además, los principales grupos de estandarización se encuentran definiendo la nueva norma IEEE 802.11p, que permitirá una mayor implantación de estas redes e interoperabilidad entre ellas dentro de los entornos vehiculares. El presente capítulo entrega una descripción básica de conceptos generales relacionados con las redes inalámbricas Ad Hoc, por el interés que para este proyecto tiene la aplicación de estas redes en la conectividad inalámbrica sobre entornos vehiculares y para el mejoramiento de sus comunicaciones. 1.2. DEFINICIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UNA RED INALÁMBRICA AD HOC. A continuación se profundiza en los beneficios que ofrecen las redes Ad Hoc, para la incorporación de este concepto tecnológico en las redes vehiculares. Una red Ad Hoc se define como la interconexión entre dos o más terminales de usuario de manera rápida para establecer comunicaciones entre ellos [13]; los terminales pueden ser fijos y móviles o solo móviles. La red Ad Hoc es capaz de establecer conexiones entre terminales sin la necesidad absoluta de recurrir a dispositivos de infraestructura preinstalada, por lo tanto no demanda estaciones base, ni cables, ni enrutadores estáticos. Dichas redes pueden estar conformadas por terminales móviles independientes basados en radio enlaces; además los terminales podrían estar conectados a redes de diferentes tipos como a redes GSM, fijas, etc. Las redes Ad Hoc están a la expectativa sobre los cambios que se producen por el continuo movimiento de los terminales y las nuevas posiciones que toman éstos en un determinado tiempo y lugar; de tal manera que las redes Ad Hoc deben ser adaptativas y auto-configurables para mantener la comunicación estable debido a los repentinos cambios de configuración; estas redes no poseen la intervención de un tipo de administración del sistema. En su implementación una red Ad Hoc puede estar conformada por centenares de estaciones móviles o nodos de comunicaciones con los cuales se puede cubrir zonas radioeléctricas de 30 a 100 metros en interiores y de 100 a 300 metros en exteriores por cada nodo. Las redes Ad Hoc tienen la posibilidad de que un nodo se comunique con un segundo nodo aun cuando el segundo no esté dentro del radio de cobertura del primero, debido a la existencia de otros nodos que hacen de intermediarios dentro de la comunicación, brindando un camino o ruta entre los dos; así estos nodos intermedios actúan de enrutadores, reenviado los paquetes de información entre ellos hasta el nodo de destino;. 9.

(24) por estas características de reenvío de información se puede decir que una red Ad Hoc es una red inalámbrica multisalto. La topología dinámica de las redes Ad Hoc crea escenarios distintos y dinámicos dentro de tiempos y lugares impredecibles; los enlaces creados cambian de características en el tiempo arbitrariamente y de forma libre pudiendo ser enlaces unidireccionales (comunicación un solo sentido) o bidireccionales (comunicación en los dos sentidos) según las prestaciones que requiera el enlace dentro de las condiciones actuales de la red; cada nodo inalámbrico puede descubrir a otros nodos, autenticarse y establecer comunicaciones, y determinar el mejor camino, más corto y eficiente, para transmitir información privada o hacer un broadcasting con información pública, además se proporciona conectividad a los nodos circundantes. De esta forma, si un enlace falla o un nodo se encuentra congestionado, la información se redirige al nodo más cercano con menos tráfico, de tal forma que los paquetes de información continúan saltando de un nodo a otro por la ruta alterna más eficiente, por la cual la información puede llegar a su último destino. Todo este proceso de auto configuración y auto encaminamiento es dinámico, ocurre en un segundo plano y en tiempo real, siendo transparente para el usuario y sin supervisión humana. 1.2.1. Cobertura de una Red Ad Hoc. Este tipo de redes permite a quien la implementa la posibilidad de no limitarse en cuanto a dar cobertura a una zona se refiere; la topología es tan flexible que se puede cubrir casi todas las zonas que sean imaginadas, exceptuando las zona con restricciones políticas o privadas para las cuales habría que obtener un certificado o permiso; otro punto a considerar antes de extender una red Ad Hoc es estudiar la zona muy detenidamente y no ocasionar con ella interferencias con otras redes ya establecidas en la zona que se quiere cubrir, por tal motivo las redes Ad Hoc son muy versátiles, las zonas de cubrimiento se miden según los nodos que se utilice, al agregar más nodos a la red se cubrirán extensiones más grandes de territorio, y como se había dicho, estas redes son flexibles permitiendo rodear o saltar obstáculos como muros, edificios, montañas y demás, que pueden llegar a obstruir la línea de vista, como se puede observar en la figura 1-5.. 10.

(25) Figura 1-5 Flexibilidad de la red Ad Hoc frente a obstáculos [Por los autores]. La instalación de las redes Ad Hoc no necesariamente requiere una planeación compleja previa, ya que su implementación es muy versátil, se requiere poco tiempo para ponerla a funcionar logrando comunicaciones fiables, y si la señal se ve afectada por algún motivo basta con mover o añadir otro nodo y se logrará mejorar la calidad de la señal afectada o débil, además existen protocolos de enrutamiento que contribuyen a mantener la interconexión prolongando la supervivencia [14] de la red, por tal motivo las redes Ad Hoc ofrecen un buen desempeño en zonas urbanas muy pobladas o zonas rurales donde el ambiente geográfico es desfavorable para las redes inalámbricas de infraestructura o las redes cableadas. 1.2.2. Riesgos en las Redes Inalámbricas. Dentro del mundo inalámbrico no todo es ventajas y mejoras en cuanto a movilidad, economía, flexibilidad y escalabilidad también existen algunos riesgos inherentes al hecho de no tener rutas fijas o cables que las proporcionen, estos riesgos pueden directamente afectar factores importantes como la integridad de la red, la confidencialidad de los datos, etc. La propagación radioeléctrica de ondas, de por sí no tiene ningún elemento que la controle, de tal manera que es casi imposible controlar ésta y teniendo en cuenta que la radiación ocurre en tres dimensiones, la cobertura puede penetrar zonas en las que se cause interferencia por propagación desmedida, además las ondas podrían ser interceptadas por intrusos e ingresar a la red sin ser autorizados. De lo anterior se pueden observar algunos riesgos [15] como:. 11.

(26) . Libre Acceso: En un determinado instante, el incremento del número de terminales de usuario podría llegar a provocar en la red una gran saturación, desencadenando una disminución apreciable en la eficiencia, ancho de banda de los terminales e intensidad de la señal, degradando así la calidad de la red y posiblemente provocando una pérdida de conectividad entre los terminales de usuario.. . Información Insegura: Debido a que la información viaja sobre un medio expuesto, personas ajenas a la red pueden interceptar información y apoderarse de contraseñas, de información privada etc.. . Recursos Libres: Por lo anteriormente descrito un hacker puede robar o destruir información valiosa o hacer uso de recursos como Internet gratuito, llamadas de voz gratuitas, etc. y también realizar ataques cibernéticos.. . Interferencia de Radio: Las ondas de radio son muy sensibles a la interferencia. Por ello una señal se puede interferir fácilmente con una transmisión de radio que tenga una frecuencia cercana a la utilizada por la red inalámbrica. Hasta un simple horno microondas puede hacer que una red inalámbrica se vuelva completamente inoperable si se está usando dentro del rango del punto de acceso.. Teniendo en cuenta lo descrito anteriormente y las ventajas que ofrecen las redes inalámbricas se puede decir que estás son muy convenientes y fáciles de desplegar pero en el momento de implantar un control resulta algo complejo lograrlo, por esto, para satisfacer los objetivos y motivaciones de este Trabajo de Grado se va a tener en cuenta que los escenarios a simular se consideran ideales y con el manejo adecuado en cuanto a la disposición de los recursos de usuario, de red y del entorno se refiere. Desde el inicio de este Trabajo de Grado se da a conocer al lector la temática de las redes inalámbricas y en especial las móviles, por lo tanto también es conveniente introducirse en los mecanismos de apoyo bajo los cuales las redes Ad Hoc móviles se basan para establecer una ruta a los datos transmitidos por ellas, es así como el conocimiento de la siguiente temática brinda alternativas que irán de la mano con la enmienda IEEE 802.11p [16]. 1.3. PROTOCOLOS DE ENRUTAMIENTO EN REDES MANET. Una MANET o Red Ad Hoc Móvil, es una red inalámbrica en topología Ad Hoc caracterizada por tener terminales móviles. Estas redes utilizan protocolos de enrutamiento no tradicionales, puesto que, los tradicionales, no ofrecen una solución eficiente para las dificultades inherentes de las MANET, debidas a la propia naturaleza de las redes Ad Hoc, de igual manera no se puede establecer estabilidad en las rutas, en los niveles de overhead y en niveles de latencia aceptables. Por lo tanto las redes Ad Hoc hacen uso de algoritmos mejor dotados y específicos que permiten enrutar los paquetes de información de nodo a nodo, sustentando niveles de calidad aceptables. Algunos protocolos de enrutamiento usados en MANETs son: protocolos proactivos, reactivos, híbridos y geográficos [17]. 12.

(27) 1.3.1. Protocolos Proactivos [17] [18]. Estos protocolos buscan descubrir y enrutar por los caminos que se establecen desde cada uno de los nodos a otro. Este procedimiento se realiza de forma cíclica, de tal manera que el camino se conoce de antemano y siempre está disponible una ruta estable, por lo cual no se ocasiona pérdida momentánea de tiempo o retrasos en la transmisión de información. Este tipo de protocolos son especialmente útiles en aplicaciones en tiempo real y aplicaciones interactivas. Los mecanismos más importantes acogidos en este tipo de protocolos son: . Incrementar la capacidad de almacenamiento de información en cada nodo de la red. Con esto se busca minimizar los bucles y aumentar la velocidad.. . Cambiar continuamente la frecuencia de actualización de la información de enrutamiento o su volumen.. . Optimizar la sobrecarga de información.. Algunos ejemplos de protocolos proactivos son: Destino Secuenciado por Vector de Distancia (DSDV, Destination Sequenced Distance Vector), Protocolo de Estado Fisheye (FSR, Fisheye State Protocol), Enrutamiento Optimizado del Estado del Enlace (OLSR, Optimized Link State Routing ) y Protocolo de Enrutamiento Inalámbrico (WRP, Wireless Routing Protocol) [17]. 1.3.2. Protocolos Reactivos [17] [18]. Estos protocolos son otra forma de enfrentar el enrutamiento en entornos móviles, un protocolo reactivo es el que busca un camino para enrutar información por demanda, es decir, solo realiza el proceso de descubrir la ruta cuando existe información para ser transmitida. Este procedimiento es caracterizado por el uso mínimo y restringido de las tablas de enrutamiento y no por la eliminación de ellas. Por lo tanto se considera que el protocolo debe ser más robusto y moderno para que sea capaz de utilizar técnicas apropiadas para reconocer repentinos cambios en la topología de la red; se está hablando de protocolos “bajo demanda” es decir que se calcula la ruta en el momento justo antes de transmitir. Como ejemplos de protocolos reactivos se tiene: Vector de distancia por demanda Ad Hoc (AODV, Ad Hoc On Demand Distance Vector) Protocolo de Enrutamiento Basado en Asociación (ABR, Associativity Based Routing Protocol ), Protocolo de Enrutamiento de Fuente Dinámica (DSR, Dynamic Source Routing Protocol) y Algoritmo de Enrutamiento Ordenado Temporalmente (TORA, Temporally Ordered Routing Algorithm ). 1.3.3. Protocolos Híbridos [17] [18]. Los protocolos híbridos asocian las características de los protocolos proactivos y reactivos para sacar sus mejores ventajas y armonizar el entorno, de esta manera se logra reducir la latencia en el momento de calcular la ruta y optimiza la convergencia del protocolo, esto. 13.

(28) se realiza enrutando una zona específica por cada nodo, la zona a cubrir está conformada por nodos móviles, un ejemplo podría ser una red Ad Hoc entre vehículos, posicionados a una determinada distancia respecto del nodo “principal”, dentro de un radio de acción especificado, estas zonas podrían estar solapadas. Entre los límites de la zona nodal se utiliza el protocolo de enrutamiento proactivo, dando de esta forma a los nodos internos la ruta adecuada para encontrar a sus nodos vecinos. Para transmitir información a un nodo por fuera del área de cobertura nodal se utiliza el protocolo de enrutamiento bajo demanda o reactivo. Ejemplos de protocolos Híbridos son: Vector de Distancia Adaptativa (ADV, Adaptive Distance Vector) y Protocolo de enrutamiento de zona (ZRP, Zone Routing Protocol). 1.3.4. Protocolos Geográficos [17] [18] [19]. Como su nombre lo sugiere, el protocolo hace uso de coordenadas geográficas, su funcionamiento consiste en enviar paquetes de información a un área determinada donde el destino ya es conocido. En este protocolo se especifican dos modelos de áreas geográficas; el área o zona esperada y el área o zona solicitada, como en la figura 1-6. El área esperada es el área donde se presume se encuentra el destino, del cual de antemano se conoce sus coordenadas iniciales y su velocidad. El área solicitada es el área en la que existe mayor probabilidad de encontrar el destino, el área solicitada se define con datos asociados en el área esperada y la fuente. Un ejemplo de protocolo geográfico es: Enrutamiento de ubicación asistido (LAR, Location Aided Routing) [19].. Figura 1-6 Localización de destino según datos geográficos. [Por los autores].. 14.

(29) 1.4. CARACTERÍSTICAS DE LAS REDES MANET [11] [20]. Las MANET tienen ciertas características que las hacen idóneas en los entornos móviles, como en los entornos vehiculares, en comparación con las redes inalámbricas tradicionales, porque proveen fiabilidad, facilidad de mantenimiento, robustez y una mayor flexibilidad y escalabilidad, donde los nodos regularmente se configuran con múltiples interfaces de distintas tecnologías de acceso. Con el objetivo de dar a conocer sus privilegios, se dará una breve explicación de sus características más relevantes, que les dan a estas redes ciertas ventajas existentes en comparación con las redes mono-salto. 1.4.1. Libertad de Integración. Los componentes de una MANET normalmente son una combinación de distintos dispositivos sin ningún esquema puntual, de los cuales se desconoce su hardware, más sin embargo pueden coexistir unos con otros, pueden integrarse muy bien con diferentes nodos, con diferentes interconexiones que podrían ser incluso de diferentes tipos de redes, en escenarios outdoor y de igual manera en escenarios indoor. La integración inalámbrica podría darse entre estándares como 802.11 a/b/g/n/p; la adición de nuevos nodos es rápida pues las rutas se configuran automáticamente a través de una sola antena cercana tomando de ésta la señal requerida para la interconexión y el establecimiento de la nueva ruta. Además, las redes MANET están en capacidad de adaptarse fácil y rápidamente a los cambios repentinos de topología, a la adición, eliminación o cambio de posición de uno o más nodos. 1.4.2. Optimización Automática de Rutas. Éste privilegio de las redes MANET en comparación con las redes de un solo salto, radica en el hecho de que al utilizar un punto de acceso y varios nodos o dispositivos, estos en repetidas ocasiones intentan obtener acceso a la red al mismo tiempo y se produce congestionamiento de tráfico, no susceptible al usuario, que disminuye la velocidad del sistema; contrastando con esto, en las redes multisalto, pueden conectarse a la red un sin número de dispositivos simultáneamente, por medio de diferentes nodos [17]. Las distancias de transmisión más cercanas de las redes MANET impiden la interferencia causada por otras fuentes y permiten el flujo de información simultánea y separada. 1.4.3. Red de Múltiples Saltos. Uno de los principales objetivos a la hora de implementar una red MANET es ampliar, casi sin límites y de forma libre el rango de cobertura de la red inalámbrica sin comprometer el desempeño del canal y proporcionar rutas alternas a terminales de usuario que presenten enlaces sin línea de vista directa o con congestión de tráfico alto o muchos otros inconvenientes. La forma de lograr este objetivo, es el diseño de una red Ad Hoc con múltiples saltos, con lo cual se crea un ambiente apto para lograr un alto throughput y además obtener de esta manera una disminución en la probabilidad de interferencia entre los nodos y una mayor eficiencia en la reutilización de la frecuencia.. 15.

(30) Los enlaces con múltiples saltos pueden introducir algunas pérdidas por cambio de la señal de un nodo a otro, esta pérdida se equipara con el aumento del throughput total efectivo de la comunicación, suscitado por la ganancia en velocidad que se obtiene en cada nodo debido a la utilización de saltos cortos. Por ejemplo, si se implementa una red MANET con el estándar IEEE 802.11p que a distancias cortas permite alcanzar velocidades de aproximadamente 27 Mbps [ 21 ], la velocidad final de la red se incrementará por la contribución de velocidad que cada nodo fija en su respectivo salto y aunque pueden presentarse algunas pérdidas en las rutas, el desempeño será más favorable en la red que el obtenido por una red inalámbrica convencional con un único salto de 27 Mbps en el que se debe transmitir todo el tráfico y afrontar las pérdidas producidas por la propagación. 1.4.4. Fácil Adaptación. Los terminales de usuario o nodos pueden contener dentro de su hardware de configuración, dispositivos que sirvan de pasarela, para la adaptación e interconexión con otros tipos de tecnología como redes cableadas e inalámbricas, así, se accede a múltiples tipos de servicios de diferentes redes tales como HSDPA, WiMAX, redes de sensores, etc. 1.4.5. Ancho de Banda Autosuficiente. De las redes inalámbricas se conoce que el ancho de banda mejora cada vez que la distancia se acorta, ya que el aumento de la distancia facilita la interferencia y aumenta el desvanecimiento y la probabilidad de intervención de obstáculos, produciendo un aumento en la pérdida de paquetes de información. Por lo cual, las redes MANET mitigan estos problemas con su capacidad de autoconfiguración y enrutamiento automático, obteniendo mejores condiciones en un momento y entorno dado, salvaguardando la efectividad de la conexión y brindando un ancho de banda optimo, haciéndolas autosuficientes, de donde se puede deducir que varios nodos son mejor que uno sólo y que la transmisión de datos mejora sus características de estabilidad si se dispone de varios saltos cortos y no de un solo largo, como se puede observar en la figura 1-7. Para lograr esto, cada nodo está equipado con dispositivos de comunicaciones aptos para servir de puntos de repetición y así brindar un camino disponible para llegar a nodos distantes.. 16.

(31) Figura 1-7 Transmisión de Datos Estable en rutas con saltos Cortos. [Por los autores]. 1.4.6. Robustez y Efectividad. Esta es otra característica de gran importancia ya que las redes inalámbricas son consideradas como inestables y poco eficientes y más aún las móviles. Las redes MANET son más robustas que las redes de un solo salto debido a su efectividad en cuanto al reúso de recursos para establecer nuevas conexiones y salvaguardarse de otras, ya que no dependen del desempeño de un solo nodo para su operación. Las redes MANET a diferencia de las redes de un único salto no están condicionadas a un solo nodo, si alguno sale de servicio lo reemplaza otro con una nueva reconfiguración de red y la red continua operando sin inconvenientes por interferencia local o atenuación, pues, se enrutan los datos por un camino alterno creando un sistema auto reconfigurable, con lo cual se proporciona redundancia, estabilidad y confiabilidad a la red, la figura 1-8 lo muestra claramente.. 17.

(32) Figura Redundancia, Estabilidad y Confiabilidad de la Red Auto configurable. 1.4.7 1-8 Escalabilidad [Por los autores] Las redes MANET tienen la característica de propagarse fácilmente sin importar su posición geográfica dentro de la red, puesto que no existen jerarquías, por lo tanto se puede decir que es escalable. Además pueden manejar centenares de nodos, debido a que el funcionamiento de la red no depende de un punto central de control y por lo tanto, la adición de múltiples conjuntos de nodos o pasarelas es muy factible. De las redes inalámbricas se puede decir que necesitan ser confiables, adaptables y escalables pero si se hace una comparación con los distintos tipos de redes se puede establecer que por ejemplo, las redes punto a punto pueden proveer confiabilidad, pero no son escalables o manejables a más de un par de puntos o en los puntos finales y las redes punto a multipunto pueden manejar más puntos finales, pero su confiabilidad se determina por la ubicación de los puntos de acceso y los puntos finales. Si las condiciones del ambiente entregan poca confiabilidad, es difícil o casi imposible adaptar una red punto a multipunto para incrementar la confiabilidad. De forma opuesta, las redes MANET por su naturaleza, se adaptan fácilmente y son bastante confiables en entornos móviles y en arquitecturas complejas, y son fácilmente escalables llegando a manejar un sin número de puntos finales. 1.4.8. Autonomía. Cada uno de los terminales de usuario es un nodo autónomo con capacidad de procesar información proveniente de otros nodos y enrutarla hacia su destino final o transitorio de la misma red. Debido a esta característica fundamental, el funcionamiento de la red no depende de infraestructuras previas, logrando así ser más tolerante a fallos del sistema.. 18.